【摘 要】
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碳纤维复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域有着不可替代的地位,对于碳纤维复合材料而言,良好的界面性能是材料力学性能的保证。但由于碳纤维表面光滑无活性基团,与树脂基体结合时主要依靠的是物理结合,使得碳纤维复合材料的力学性能远远达不到预期,因此有必要对碳纤维的表面进行改性,提高纤维与树脂的结合,改善复合材料的界面性能。本文通过对碳纤维表面进行多步处理,结合纳米材料氧化石墨烯、超支化聚（硫醚-酯）及超支
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碳纤维复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域有着不可替代的地位,对于碳纤维复合材料而言,良好的界面性能是材料力学性能的保证。但由于碳纤维表面光滑无活性基团,与树脂基体结合时主要依靠的是物理结合,使得碳纤维复合材料的力学性能远远达不到预期,因此有必要对碳纤维的表面进行改性,提高纤维与树脂的结合,改善复合材料的界面性能。本文通过对碳纤维表面进行多步处理,结合纳米材料氧化石墨烯、超支化聚（硫醚-酯）及超支化聚酯,依靠点击化学法快速有效的制备跨尺度增强体,然后选用环氧树脂为基体制备复合材料。氧化石墨烯的加入可提高碳纤维表面的粗糙度,大幅增加纤维与树脂基体的机械啮合效应,超支化聚（硫醚-酯）和超支化聚酯的引入使得碳纤维表面的活性基团增加,与环氧树脂之间的化学键合和浸润性都得到了提高。因此,氧化石墨烯和超支化聚合物的引入可明显改善碳纤维与树脂基体间的相容性,提高两者间的界面强度。基于此,本文采用了“grafting from”和“grafting to”两种不同的接枝手段来实现超支化聚合物和氧化石墨烯在碳纤维表面的接枝。具体研究内容如下:（1）碳纤维经过丙酮去胶处理后,分别采用硝酸氧化法和等离子体氧化法对碳纤维进行表面处理,得到氧化碳纤维（CF-Oxi）;通过傅里叶红外吸收光谱仪（FTIR）对两种方法改性的碳纤维进行表征,结果表明两种方法均能够使得碳纤维表面引入含氧活性基团;通过对比两种方法的实验条件和最终接枝效果,发现等离子体法更为安全、简单、高效。（2）采用γ-巯丙基三甲氧基硅烷（KH590）对碳纤维和氧化石墨烯表面进行改性,通过水解缩合反应得到巯基功能化碳纤维（CF-KH590）和巯基功能化氧化石墨烯（GO-KH590）;利用傅里叶红外吸收光谱仪、综合热分析仪（TGA）等对产物进行表征;结果表明,KH590成功接枝在碳纤维和氧化石墨烯表面,且接枝率分别为5.13%和6.70%。（3）基于跨尺度结构设计的思想,分别采用“grafting from”和“grafting to”两种不同的接枝手段制备了氧化石墨烯-超支化聚（硫醚-酯）-碳纤维（GO-HPTEE-CF）跨尺度增强体和氧化石墨烯-超支化聚酯-碳纤维（GO-H20-CF）跨尺度增强体;通过FT-IR、TGA、X射线光电子能谱（XPS）对产物进行表征,结果表明两种方法成功制备出了跨尺度增强体;此外,力学性能测试结果表明,两种超支化聚合物的引入均能有效防止氧化石墨烯在碳纤维表面的团聚,并能有效提高碳纤维的力学性能。（4）选用环氧树脂E-51为基体,三乙烯四胺为固化剂,与不同改性阶段的碳纤维制备成复合材料并对其力学性能进行表征。结果表明:改性后的碳纤维界面性能得到提高,以共价键结合和机械啮合共同作用的界面能够帮助碳纤维复合材料承受更大的载荷和避免应力集中;GO-H20-CF跨尺度增强体单丝拉伸强度、复丝拉伸强度相比原始碳纤维分别提高了35.66%和44.34%。GO-H20-CF跨尺度增强体复合材料的弯曲强度、层间剪切强度、界面剪切强度相比原始碳纤维复合材料分别提高了34.58%、59.94%和147.99%。GO-HPTEE-CF跨尺度增强体单丝拉伸强度、复丝拉伸强度相比原始碳纤维分别提高了21.45%和34.19%,其复合材料的弯曲强度、层间剪切强度、界面剪切强度分别提升了23.99%,50.19%和136.96%。场发射扫描电镜结果显示,两种跨尺度增强体复合材料断口处的纤维拔出较少,且纤维断口不平整,表面附着有大量树脂,表明纤维与树脂基体之间的黏附作用增强,结合更为牢固,界面性能得到提高。
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